工業(yè)成像的CCD及CMOS技術(shù)之對(duì)比

　　在工業(yè)應(yīng)用中成像系統(tǒng)的廣泛采用持續(xù)擴(kuò)展，不僅由新的影像感測(cè)器技術(shù)和產(chǎn)品的開發(fā)所推動(dòng)，還由支援平臺(tái)的進(jìn)步所推動(dòng)，如電腦功率和高速數(shù)據(jù)介面。今天，成像系統(tǒng)的使用在各種領(lǐng)域很常見(jiàn)，如配線檢查、交通監(jiān)測(cè)/執(zhí)法、監(jiān)控和醫(yī)療及科學(xué)成像，由于影像感測(cè)器技術(shù)的進(jìn)步，使成像性能、讀取速度和解析度提高。隨著影像感測(cè)器現(xiàn)在采用電荷耦合元件(CCD)和互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)設(shè)計(jì)，審視這兩大平臺(tái)對(duì)于選擇最適合特定應(yīng)用的影像感測(cè)器很有幫助。

　　電子成像技術(shù)的發(fā)展始于上世紀(jì)60年代，諾貝爾獎(jiǎng)得主Boyle和Smith開發(fā)出第一個(gè)CCD。這些元件是利用摻雜矽的固有能力將光子轉(zhuǎn)換成電子，并用得到的畫素等級(jí)電荷來(lái)測(cè)量光強(qiáng)度而運(yùn)作。在架構(gòu)上，這個(gè)設(shè)計(jì)的最大優(yōu)勢(shì)是簡(jiǎn)單，整個(gè)畫素區(qū)域可用來(lái)檢測(cè)光子和存儲(chǔ)電荷，提供最大訊號(hào)級(jí)別，支援高動(dòng)態(tài)范圍。

　　相同的畫素區(qū)域用于將電荷傳送到有限的輸出端，其中電荷被轉(zhuǎn)換為電壓。隨時(shí)間推移，這架構(gòu)已細(xì)化到包括Interline Transfer CCD設(shè)計(jì)，其中包含畫素等級(jí)的一個(gè)電子快門，無(wú)需相機(jī)設(shè)計(jì)中的機(jī)械快門。今天，CCD是采用訂制的半導(dǎo)體制程，高度優(yōu)化于成像應(yīng)用，并需要外部電路將類比輸出電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)位訊號(hào)以用于后續(xù)處理。一般而言，CCD的典型特點(diǎn)是高效的電子快門能力、寬動(dòng)態(tài)范圍和出色的影像均勻性。

　　相比之下，CMOS影像感測(cè)器設(shè)計(jì)最初是利用為主流半導(dǎo)體元件的制造而開發(fā)的工藝，如用于邏輯晶片、微處理器和記憶體模組的工藝。這點(diǎn)形成巨大的優(yōu)勢(shì)，如數(shù)位處理功能可直接納入晶片中，以增強(qiáng)影像感測(cè)器功能。CMOS影像感測(cè)器不像CCD將電荷傳送到有限的輸出端，而是把電晶體放置在每一畫素內(nèi)(或每組畫素)，來(lái)進(jìn)行電荷、電壓之間的轉(zhuǎn)換。這么一來(lái)，電壓(而不是電荷)可經(jīng)由整個(gè)元件傳輸，使得影像讀取變得更快、更靈活。此外，高端處理可直接結(jié)合至晶片，如果需要的話，影像感測(cè)器可輸出完全處理的JPEG影像，甚至是H.264視訊流。

　　雖然CCD影像感測(cè)器歷來(lái)提供比CMOS元件更好的成像性能，但近年來(lái)差距已大大縮小，CMOS影像感測(cè)器可提供的影像品質(zhì)現(xiàn)在已勝任多種應(yīng)用。這可從用于工業(yè)成像的最新一代CMOS元件看出，如安森美半導(dǎo)體的PYTHON CMOS影像感測(cè)器系列。

　　盡管最好的CCD可提供的一些成像參數(shù)可能仍然超越這一系列，但這些PYTHON元件的影像品質(zhì)已適用于線上檢測(cè)、交通監(jiān)測(cè)/收費(fèi)、運(yùn)動(dòng)分析等等。這使CMOS技術(shù)的其他性能優(yōu)勢(shì)更加顯著，如更快的幀率、更低的功耗、感興趣區(qū)域(ROI)的成像 。每一項(xiàng)性能對(duì)提升產(chǎn)量和支援這些應(yīng)用都至關(guān)重要。

　　因?yàn)檫@些內(nèi)在優(yōu)勢(shì)，有人預(yù)計(jì)CCD影像感測(cè)器最終將消亡，因?yàn)镃MOS技術(shù)不斷進(jìn)步且最終將在所有面向使CCD性能黯然失色。但是，以后CCD和CMOS技術(shù)無(wú)疑將繼續(xù)發(fā)展，CCD的基礎(chǔ)架構(gòu)表明某些區(qū)域?qū)⒗^續(xù)保持特定的性能優(yōu)勢(shì)，使CCD成為要求最高成像性能的工業(yè)應(yīng)用的首選技術(shù)。

　　雖然影像均勻性隨著CMOS技術(shù)的進(jìn)步不斷改善，但最高的性能水準(zhǔn)仍是在CCD影像感測(cè)器應(yīng)用。這是這些技術(shù)架構(gòu)的直接結(jié)果：雖然CMOS元件有數(shù)以千計(jì)的單獨(dú)放大器(每列一個(gè)，或甚至每畫素一個(gè))，CCD可將電荷從畫素路由至單個(gè)放大器，感測(cè)器讀取無(wú)需藉由任何放大器來(lái)放大變化。影像的高均勻性對(duì)醫(yī)療和科學(xué)成像等應(yīng)用很重要，甚至關(guān)鍵的成品檢測(cè)，其中這些應(yīng)用的定量性是提供清晰、未處理的影像的關(guān)鍵。此外，使用CCD往往比CMOS元件更容易在縮放至高解析度和大光學(xué)格式時(shí)保持均勻性。

　　CCD設(shè)計(jì)的類比性也令CCD相機(jī)能為特定的終端應(yīng)用“微調(diào)”，優(yōu)化特定的成像特性。例如針對(duì)天文攝影的應(yīng)用，攝影機(jī)制造商可選擇充分優(yōu)化感測(cè)器的能力(擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍)，以犧牲抗溢光為代價(jià)(這可能對(duì)此應(yīng)用不是那么重要)。其他科學(xué)成像應(yīng)用也可得益于CCD提供的極低暗電流，并可能需要長(zhǎng)達(dá)一個(gè)小時(shí)以上的曝光時(shí)間以偵測(cè)極微弱的訊號(hào)。

　　由于諸如此類的架構(gòu)優(yōu)勢(shì)，安森美半導(dǎo)體如今繼續(xù)選擇投資CCD技術(shù)和產(chǎn)品?？稍谧罱娴男翪CD技術(shù)平臺(tái)中找到一個(gè)重要的例子，這平臺(tái)結(jié)合Interline TransferCCD的成像性能和可從電子倍增(EMCCD)輸出獲取的極低感光度。

　　Interline TransferEMCCD的結(jié)合能讓一個(gè)攝影機(jī)同時(shí)捕捉到影像場(chǎng)景的一部分(如一個(gè)小巷)在極低光照水準(zhǔn)下(低至月光或甚至星光)，而另一部份處于明亮的光照下(路燈)。這個(gè)性能使一個(gè)獨(dú)立攝影機(jī)捕捉到從白天到星光的光照水準(zhǔn)影像，是CCD技術(shù)所獨(dú)有，因?yàn)樗昧薊MCCD輸出的電荷倍增性 ，也正是CMOS元件限于工作電壓范圍無(wú)法提供的特性。結(jié)合了這個(gè)技術(shù)的產(chǎn)品具備1080p解析度以及 30 fps幀率，針對(duì)極低光照的監(jiān)控、科學(xué)成像和醫(yī)療成像等應(yīng)用。

　　雖然采用CMOS技術(shù)的產(chǎn)品顯然越來(lái)越廣泛，但CCD影像感測(cè)器仍然在某些方面保持優(yōu)勢(shì)，使其比CMOS元件更適合某些應(yīng)用。因此，與其尋找最佳的技術(shù)，不如確定考慮中的特定終端應(yīng)用情況的關(guān)鍵性能參數(shù)，然后結(jié)合這些關(guān)鍵需求與不同產(chǎn)品的特性和性能。

　　雖然某些情況下，基于一種技術(shù)的產(chǎn)品可能提供最佳匹配，但在其他可能不是那么明確的情況下，與可提供兩種技術(shù)的公司合作就格外重要，以便獲得客觀的看法。通過(guò)獲取同時(shí)基于CCD和CMOS兩種技術(shù)的廣泛產(chǎn)品陣容的資訊，終端客戶就可確定并選擇真正適合他們特定的終端應(yīng)用的產(chǎn)品， 而成為真正的贏家。